Forme A CHI ÉNERGIE ET CINÉTIQUE CHIMIQUE

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1 CHI ÉNRGI T CINÉTIQU CHIMIQU Conception et rédaction : Lyne Desranleau, C.S. des Hautes-Rivières Modifié par Lise Allard, C.S. Chemin-du-Roy, 28. Revu et corrigé par Sylvain Lavallée, C.S. Chemin du Roy, 21.

2 1. Corrigez les énoncés qui ne décrivent pas correctement l ébullition de l eau. a) Les molécules de vapeur font des mouvements de vibration, de rotation et de translation. b) Pendant l ébullition, les molécules d eau libèrent de l énergie afin de former des liens gazeux intermoléculaires. c) Avant l ébullition, la température et l énergie cinétique moyenne des molécules augmentent. d) La distance entre les molécules augmente lors de la vaporisation de l eau. e) Pendant l ébullition, la température augmente afin que les molécules absorbent de l énergie nécessaire à la vaporisation. 2. Choisissez, parmi les énoncés suivants, ceux qui décrivent une dissolution exothermique. Justifiez votre choix. a) Le mélange d un sel dans l eau provoque une élévation de température. b) Un mélange glace et de sel de table servait à refroidir la crème. c) L évaporation de l eau d érable. d) La sublimation d un désinfectant parfumé. e) L hydroxyde de sodium solide se transforme en ions aqueux en libérant de l énergie. 3. Dites si les énoncés suivants sont vrais ou faux. Justifiez votre choix. a) La dissolution du NaNO 3 dans l eau est endothermique. On en déduit que l énergie dégagée par la formation des liens entre le soluté et le solvant est plus grande que l énergie absorbée pour briser les liens entre les ions du cristal. b) Si on mélange en masse égale deux liquides X et Y, de même capacité thermique massique, ayant au départ les températures respectives de 6 et 1 degrés Celsius, alors la température finale du mélange est de 4 degrés. c) La capacité thermique massique de l eau de mer étant de 3,89 et celle de l eau pure étant de 4,18, il faut donc d avantage d énergie pour chauffer l eau de mer. d) On mélange la même masse de deux liquides X et Y dont les températures sont respectivement de 9 et 3 degrés Celsius, on obtient un mélange à 4 degrés. Donc la capacité thermique massique du liquide X est plus élevée que celle du liquide Y. e) Lorsqu on brûle une substance dans un calorimètre et que l on constate une variation de la température de l eau, on peut calculer la chaleur molaire de dissolution de cette substance. 2

3 4. Dites si les énoncés et les schémas suivants sont vrais ou faux. Justifiez votre choix. a) Dans la vaporisation, l énergie absorbée par les molécules correspond à l énergie nécessaire pour briser les liaisons intermoléculaires. b) On peut représenter la vaporisation par le schéma suivant : c) La dissolution suivante est exothermique : NaOH (s) Na + (aq) + OH - (aq) + 5 kj? d) Un changement de phase est toujours accompagné d une absorption d énergie. e) La capacité thermique massique d une substance et la quantité d énergie nécessaire pour élever de 1 C une masse de 1 gramme de cette substance. 5. Le graphique suivant porte sur la combustion du propane : C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (g). (1) (2) Choisissez les énoncés qui sont vrais. Justifiez votre choix. a) Ce graphique représente la concentration en fonction du temps. b) Ce graphique représente la vitesse de réaction en fonction du temps. c) La courbe (1) peut identifier la formation du dioxyde de carbone. d) La courbe (2) identifie la disparition du propane. e) Le point de rencontre des courbes (1) et (2) signifie que les vitesses de formation et de disparition du dioxyde de carbone et du propane sont égales. 3

4 Prétest Soit, le système A + B C + D Le graphique de distribution de l énergie illustrant une réaction donnée est présenté ci-contre Énergie cinétique ( k ) Quel graphique de distribution de l énergie illustre l effet d une augmentation de la température sur la vitesse de cette réaction? a) c) Énergie cinétique ( k ) Énergie cinétique ( k ) b) d) Énergie cinétique ( k ) Énergie cinétique ( k ) 4

5 7. Quel diagramme représente la réaction suivante : 2 A1 (s) + O 2(g) A1 2 O 3(s) kj? a) c) nthalpie nthalpie 2A1 (s) + O 2(g) A1 2 O 3(s) A1 2 O 3(s) 2A1 (s) + O 2(g) b) d) nthalpie nthalpie A1 2 O 3(s) A1 (s) + O 2(g) A1 (s) + O 2(g) A1 2 O 3(s) 8. Une réaction est représentée par l équation suivante : A + B C + kj. Laquelle des propositions ci-dessous peut-on associer à cette réaction? a) L enthalpie du produit est supérieure à celle des réactifs. b) L enthalpie du produit peut être égale ou supérieure à celle des réactifs. c) L enthalpie du produit est inférieure à celle des réactifs. d) L enthalpie du produit peut être égale ou inférieure à celle des réactifs. 9. À l aide du tableau des énergies de liaisons en annexe, calculez le bilan énergétique de la chaleur de formation d une mole de NH 3 : N 2(g) + 3 H 2(g) 2 NH 3(g). 5

6 H( kj / mol ) H( kj / mol ) H ( kj / mol ) H ( kj / mol ) H (kj/mol) H( kj/mol ) Prétest 1. Les graphiques 1, 2 et 3 illustrent la distribution des molécules en fonction de l énergie. Les graphiques 4 et 5 illustrent l énergie potentielle des substances en fonction de la progression de la réaction. Chaque courbe représente une situation sans catalyseur (ligne continue) et avec catalyseur (ligne pointillée). Graphique 1 Graphique 2 Graphique 3 Énergie Énergie Énergie Graphique 4 Graphique 5 Réaction Réaction Lesquels de ces graphiques illustrent l effet d un catalyseur positif? 11. a) Quels diagrammes illustrent une réaction endothermique? b) Quel diagramme illustre la réaction qui libère la plus grande énergie? 1) 2) 5 5 3) 4) 5 5 6

7 nthalpie (kj / mol) nthalpie ( kj ) Prétest 12. Voici un graphique qui illustre l enthalpie de certains systèmes en fonction de la progression de la réaction. Réactifs Produits Deux des équations ci-dessous peuvent être représentées par ce graphique. 1. H 2 O (g) H 2(g) + O 2(g) H = +242 kj. 2. C (s) + O 2(g) CO 2(g) kj. 3. H 2 O (l) + 47 kj H 2 O (g). 4. CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) H = -83 kj. Quelles sont ces équations? a) 1 et 2. b ) 1 et 3. c) 2 et 4. d) 3 et Le graphique ci-dessous illustre la variation d enthalpie des substances en jeu dans une réaction chimique. Réactifs Produits D après ce graphique, quelle est la proposition vraie? a) Cette réaction est endothermique. b) L enthalpie des produits de cette réaction est plus grande que celle des réactifs. c) Le H de cette réaction est négatif. d) Cette réaction est spontanée. 7

8 14. Un forgeron chauffe à une très grande température un fer à cheval ayant une masse de 55 g. Par la suite, il plonge dans un récipient isolé contenant 8,5 L d eau à 22 C. Il note que la température maximale atteinte par l eau est de 26,9 C. Sachant que la capacité thermique massique du fer est de,45 J/g C, déterminez la température à laquelle le forgeron a dû chauffer son fer à cheval. Laissez les traces de votre démarche. 15. Dans un calorimètre, dont la température est de 22 C, on verse 42 g d eau à 13 C. À l équilibre, la température de l ensemble est de 16 C. S il n y a pas eu de pertes de chaleur, quelle est la valeur en eau du calorimètre? a) 28 g. b) 21 g. c) 14 g. d) 84 g. 16. n laboratoire, vous avez fait dissoudre de l hydroxyde de sodium, NaOH (s), dans l eau d un calorimètre. Vous avez noté les renseignements suivants. Masse de NaOH(s) Volume d eau dans le calorimètre Température initiale de l eau Température finale de l eau 8, g 2 ml 2,2 C 25,2 C D après ces renseignements, quelle est la chaleur molaire de dissolution de NaOH (s)? a) 168 J. b) 838 J. c) 419 J. d) 2 95 J. 17. Le tableau suivant illustre le bilan énergétique de quelques réactions. ÉQUATIONS H (kj / mol) H 2(g) + O 2(g) H 2 O (g) -242, C (s) + O 2(g) CO 2(g) -394, C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (g) -246, H 2(g) + O 2(g) H 2 O (l)

9 Déterminez, en appliquant la loi de Hess, la chaleur molaire de formation du propane (C 3 H 8 ) : 3 C (s) + 4 H 2(g) C 3 H 8(g). a) 4 (-242) + 3 (-394) + 1 (246). b) 1 (-246) + 3 (-394) + 4 (-242). c) 4 (-286) + 3 (-394) + 1 (246). d) 4 (-286) + 3 (-394) + 1 (-246). 18. Lorsqu on veut allumer un feu plus rapidement, on utilise du papier et des copeaux au lieu d allumer directement les bûches avec une allumette. xpliquez pourquoi. 19. Suite à une expérience sur le lait suri, vous obtenez les résultats suivants. xpérience sur le lait suri. Température ( C) Temps (jours) ,5 Par exemple, du lait placé à une température de 1 prend 2 jours avant de surir. Quelle serait la conclusion de cette expérience? 2. Donner la définition de la loi de Hess. 21. L étude de la chimie est très utile en industrie pour rentabiliser la production d une substance recherchée. Par exemple, on fabrique en industrie de la chaux Ca(OH) 2. La chaux est vendue et est utilisée dans le tannage des peaux pour enlever les poils. lle sert aussi à neutraliser l acidité des sols. C est à partir du calcaire qu on obtient la chaux. Le calcaire existe sous forme de craie poreuse ou de pierre compacte. Il provient de l accumulation de squelettes de micro-organismes marins au fond de l océan. On obtient la chaux à l aide de 2 réactions successives. D abord, on décompose du calcaire sous l action d une chaleur intense : CaCO 3 + chaleur CaO + CO 2 Calcaire oxyde de calcium dioxyde de carbone 9

10 Cette préparation se fait dans un four a chaux, où le calcaire doit être concassé et ensuite passé dans une chambre à combustion à une température de 11 C. À la fin de cette première étape, on recueille l oxyde de calcium à la base du four. La deuxième réaction se fait presque spontanément. Il s agit d une réaction entre l oxyde de calcium recueilli dans la première étape et de l eau. Cette réaction exothermique produit finalement la chaux : Ca + H 2 O Ca(OH) 2 + chaleur. a) Des recherches ont permis de découvrir, d expliquer et d augmenter la vitesse des réactions chimiques. Énumérez cinq découvertes fondamentales ou sujets d études qui ont permis la production de la chaux. b) Donner et expliquer, à l aide de la théorie cinétique chimique, deux procédés utilisés qui ont permis d accélérer la décomposition du calcaire. c) xpliquer pourquoi la deuxième réaction se fait presque spontanément. 22. Les découvertes qui ont jalonné l histoire de l humanité ont eu, et ont encore, des conséquences déterminantes sur le mode de vie de l être humain. L homme préhistorique inventa les premiers outils et domestiqua le feu. De l antiquité à la révolution industrielle, on vit apparaître l agriculture, la domestication des animaux, la roue, les machines simples, la voile, la boussole et les moulins. Au XVIII e siècle, le pétrole et l électricité prennent la relève énergique. La combustion du pétrole apporte de nombreux avantages, mais aussi un inconvénient majeur, la pollution. a) Donner trois conséquences positives de l utilisation du pétrole sur le mode de vie de l être humain. b) Donner deux exemples de la pollution créée par la combustion du pétrole. 1

11 FORMULAIR FORMULS Q = mc T m 1 c 1 T 1 = -m 2 c 2 T 2 Q 1 + Q 2 = Q : quantité de chaleur. m : masse. c : capacité thermique massique. T : variation de température. CONSTANTS Capacité thermique massique de l eau (c) = 419 J/kg C ou 4,19 J/g C. Masse volumique de l eau ( ) = 1, g/ml. Tableau des énergies de liaisons Liaison Énergie de liaison ( kj / mol ) O H 464 O O 142 O=O 52 C O 351 C=O* 73 C C 347 C=C 615 C C 811 C H 414 C F 439 C CI 331 C Br 276 C N 293 C=N 615 C N 89 N H 39 N N 159 N=N 418 N N 945 F F 155 CI CI 243 Br Br 192 H H 435 H F 564 H CI 431 H Br 368 H S 364 * Les liaisons dans le CO 2 ont une valeur de 799 kj / mol. 11